- Основы самоустанавливающихся подшипников и ключевые концепции
- Механизмы работы: как осуществляется самоустановка
- Разнообразие видов самоустанавливающихся подшипников
- Преимущества использования в различных приложениях
- Этапы установки и методы обслуживания
- Примеры применения самоустанавливающихся подшипников в промышленности
Основы самоустанавливающихся подшипников и ключевые концепции
В узлах вращения современных машин и механизмов, как правило, применяются подшипники – устройства, предназначенные для крепления в общем случае вращающихся деталей с обеспечением вращения их с минимальными механическими потерями на преодоление сопротивления вращению.
Обычные подшипники - это высокоточные устройства, требующие для своего нормального функционирования тщательного выдерживания таких параметров, как соосность посадочных поверхностей (цапф и шеек валов, подшипниковый гнёзд корпусов), так и относительное расположение их по длине валов и подшипниковых гнёзд.
Во многих машинах и механизмах выдерживание таких точностей изготовления либо невозможно, либо экономически нецелесообразно. Также в процессе эксплуатации могут иметь место значительные тепловые расширения или деформации конструкций под нагрузкой. В качестве примеров таких устройств можно привести следующие:
- Галтовочные барабаны, в которых обеспечить соосность цапф крайне сложно, а подшипниковые опоры выполнены в отдельных корпусах.
- Длинные валы гребных винтов на судах, подшипниковые опоры которых далеко отстоят друг от друга.
- Валы турбин и компрессоров турбореактивных двигателей, которые достаточно длинны и в процессе работы нагреваются до высоких температур.
- Валы сельскохозяйственных машин, буксы колёс вагонеток и многое другое.
В этих случаях применяются специальные конструктивные меры для обеспечения нормальной эксплуатации узлов вращения.
Для компенсации линейных неточностей технологий изготовления или деформаций вдоль оси вращения в процессе эксплуатации, как правило, применяют конструктивное обеспечение возможности скольжения колец обычных подшипников вдоль оси вращения на валах или в подшипниковых гнёздах. Также существуют плавающие подшипники, внешнее кольцо которых может смещаться в осевом направлении относительно внутреннего в определённых пределах.
Для компенсации значительных технологических неточностей соосности или возникающей несоосности в процессе эксплуатации считается целесообразным применять самоустанавливающиеся подшипники (иногда их называют сферическими), в которых внутреннее кольцо может свободно поворачиваться относительно внешнего на значительный угол. В дальнейшем мы будем рассматривать только такие самоустанавливающиеся подшипники.
Механизмы работы: как осуществляется самоустановка
В сферических самоустанавливающихся подшипниках дорожка качения внешнего кольца представляет собой часть сферической поверхности, центр которой лежит на оси подшипника, дорожка качения внутреннего кольца выполняется обычным образом с контуром поперечного сечения по контуру тела качения (шарика или ролика), как это показано на Рис. 2, например.
Такая конструкция позволяет внутреннему кольцу свободно поворачивать свою ось в установленных пределах относительно оси внешнего кольца, компенсируя неточности изготовления вала и подшипникового гнезда, неточности монтажа, эксплуатационные деформации вследствие нагрузок или изменения температурного режима. При этом из-за сферичности дорожки качения внешнего кольца режимы качения не изменяются, что позволяет сохранить высокий коэффициент полезного
действия подшипникового узла и отсутствие механических нагрузок на элементы конструкции по причине перекоса.
Разнообразие видов самоустанавливающихся подшипников
Самоустанавливающиеся подшипники подразделяются на:
- Подшипники трения, как показано на Рис. 1.
- Подшипники качения.
В свою очередь самоустанавливающиеся подшипники качения подразделяются на:
- Радиальные подшипники шариковые самоустанавливающиеся двухрядные, как показано на Рис. 2.
- Радиальные подшипники роликовые самоустанавливающиеся двухрядные, как показано на Рис. 3.
- Радиально-упорные или только упорные самоустанавливающиеся подшипники, например как показано на Рис. 4.
В дальнейшем мы будем рассматривать только самоустанавливающиеся подшипники качения.
Двухрядность сферических подшипников обеспечивает им повышенную нагрузочную способность, а конфигурация дорожек качения на кольцах позволяет воспринимать и осевые нагрузки в процентах от радиальных.
Преимущества использования в различных приложениях
Использование сферических подшипников в машинах и механизмах, в которых высокую точность по соосности валов и подшипниковых гнёзд выдерживать нецелесообразно или невозможно (нежёсткие конструкции, раздельные разнесённые корпуса подшипниковых гнёзд, длинные валы с отношением диметра к расстоянию между опорами более семи, технологическое несовершенство производства и т.д.), позволяет избежать механических перегрузок устройства из-за несоосностей вращающихся валов и их подшипниковых опор. Это в конечном счёте, значительно увеличивает долговечность машин, их межремонтный период, надёжность без значительных дополнительных затрат. Сферические подшипники надёжно работают до величин несоосности в 2°÷ 3°.
Радиальные сферические подшипники способны воспринимать осевую нагрузку в обоих направлениях до 20% от радиальной.
Эти качества позволяют широко их использовать в различных машинах и механизмах.
Этапы установки и методы обслуживания
Методы монтажа/демонтажа сферических подшипников на валы и в подшипниковые гнёзда ничем не отличаются от таких же методов для обычных подшипников качения. Те же посадки внутреннего кольца на валы и внешнего кольца в гнёзда. Те же съёмники и устройства запрессовки. Те же требования к исключению нагрузок на тела качения при монтаже/демонтаже, то есть запрессовка в гнездо и выемка возможны только через тело внешнего кольца, а посадка на вал и, соответственно, съём, только через тело внутреннего кольца.
Для облегчения установки подшипников часто применяют методы горячего монтажа. При посадке на вал подшипник нагревают примерно до 100℃ и затем устанавливают согласно конструкторской или ремонтной документации на цапфу вала. То же и при установке в подшипниковое гнездо. Но в этом случае нагревают до этой температуры уже корпус, куда устанавливают подшипник. В случаях горячего монтажа необходимо обратить внимание на присутствие полимерных материалов в конструкции подшипника и/или набитой смазки - нагрев может привести их в негодность.
По конструктивному исполнению сферические подшипники можно подразделить на открытые (см. Рис. 2) и закрытые (см. Рис. 3). Закрытые практически не нуждаются в замене смазки и в дополнительных средствах защиты от загрязнения в течение всего срока эксплуатации. Открытые же требуют регулярной смены отработанной смазки свежей и соответствующее конструктивное обеспечение смазки в процессе эксплуатации, а также защиты от внешнего загрязнения в виде манжет, сальников и т.д. В зависимости от режима работы подшипников это может быть как регулярное шприцевание консистентной смазкой через маслёнки, так и более сложные системы капельной смазки, масляных ванн, масляного тумана и т.д. Как правило, порядок замены масел описывается в технической документации к изделию.
Примеры применения самоустанавливающихся подшипников в промышленности
Как пример применения самоустанавливающихся подшипников приведем фрагмент закрепления вала червяка в корпусе червячного редуктора, показанного на Рис. 5.
Здесь хорошо видно, что длинный вал червяка, испытывающий большие нагрузки как в радиальном, так и в осевом направлении от взаимодействия с червячным колесом, закреплён в подшипниковых узлах на шариковых сферических двухрядных подшипниках, что кардинально разгружает подшипники от нагрузок, связанных с деформацией вала червяка.
Из Рис. 5 хорошо видно, что левый подшипник может свободно плавать внешним кольцом в корпусе гнезда, что разгружает его от осевых нагрузок. Все осевые нагрузки воспринимает упорный подшипник, который в варианте б) ещё имеет и опорные сферические кольца, что разгружает его от нагрузок, связанных с угловыми деформациями вала червяка.